Зачем полям БПЛА
В России засевают больше 80 миллионов гектаров земли. Много это или мало? Давайте посчитаем. Если вытянуть эти поля в полосу шириной в один километр, то она обогнет экватор двадцать раз. На каждого жителя страны приходится примерно пол-гектара – участок размером с два школьных стадиона. И вот на этой земле растут пшеница, из которой пекут хлеб, и подсолнечник, из которого давят масло. А еще – сахарная свекла, невзрачный на вид корнеплод, без которого не было бы сахара, и десятки других культур, важных для сельского хозяйства.
Возьмите одно крупное хозяйство – его площадь окажется больше среднего по масштабам города. Десятки тысяч гектаров, и все они перерезаны лесополосами, оврагами и проселочными дорогами. После ночного дождя где-то пробиваются сорняки, в другом углу забилась поливная труба, а на дальнем краю трактор примял всходы. Заметить все проблемы, обходя поля пешком – задача на несколько дней. А половину из них человек все равно пропустит.
Но самолет – штука дорогая. Самолету нужен аэродром, опытный летчик; на каждый полет тратится много топлива, и летает самолет высоко – мелкие детали оттуда не разглядеть. С развитием космонавтики помогать в сельском хозяйстве стали и спутники, фотографируя Землю из космоса, но снимок они делают раз в несколько дней, а в облачную погоду камера вообще ничего не может увидеть.
А вы задумывались, почему агрономам так важно видеть поле сверху? Дело не в любопытстве. Каждый день промедления в сельском хозяйстве – это потери урожая. Сорняк, замеченный вовремя, можно убрать точечно. Тот же сорняк, обнаруженный через неделю, разрастется, что потребует сплошной обработки всего поля. Разница в расходах – в десятки раз.
Теперь представьте: над полем пролетает небольшой летательный аппарат без пилота на борту. За час он фотографирует каждый метр на малой высоте, а к обеду агроном уже видит на экране подробную карту и решает, на какой участок направить технику. Такой аппарат называют БПЛА – беспилотный летательный аппарат.
БПЛА ценят за скорость и доступность. Пока человек обходит одно поле, БПЛА успевает облететь несколько полей. Ему не нужен большой аэродром – достаточно ровной площадки размером с парковочное место. Причем каждый раз он снимает поле с одной и той же высоты, под одним углом – а значит, снимки за разные дни можно сравнивать. Агроном видит: неделю назад подозрительный участок, на котором, наверное, появились сорняки, был еще небольшим, а сегодня заметно увеличился в размерах. Пора действовать!
Исторический факт
Человечество давно мечтало взглянуть на поля с высоты птичьего полета. Еще в XVIII веке братья Монгольфье подняли в небо первый воздушный шар – и вид сверху оказался совершенно непривычным. Но прошло больше ста лет, прежде чем возможность полетов пригодилась земледелию: в начале XX века агрономы стали подниматься на привязных аэростатах, чтобы оценить состояние посевов. В Советском Союзе конструктор Олег Антонов в 1947 году создал Ан-2 – легкий самолет-биплан, задуманный специально для сельского хозяйства и местных авиалиний. Первый полет состоялся в Новосибирске – в послевоенной стране не хватало рабочих рук, и авиация должна была облегчить труд на полях. Эти знаменитые «кукурузники» облетали колхозные поля и распыляли удобрения с воздуха. Конструкция оказалась настолько удачной, что Ан-2 попал в Книгу рекордов Гиннесса – ни один другой самолет в мире не выпускался так долго, больше шестидесяти лет. Один летчик сельхозавиации за сезон обрабатывал площадь, на которую наземная бригада тратила целый месяц.
Звучит просто: запустил, снял, посмотрел. На деле за этой простотой – целая технология.
Исторический факт
А откуда вообще взялись беспилотники?
Все началось с двух изобретений. В 1898 году Никола Тесла показал публике в Нью-Йорке радиоуправляемый кораблик. Зрители были настолько удивлены, что решили – это магия. Примерно тогда же инженер Лоуренс Сперри научил самолет держать курс без помощи летчика – его гироскопический автопилот называют прадедушкой всех систем стабилизации. Радиоуправление плюс автопилот – два «крыла», на которых беспилотная авиация держится до сих пор.
В 1935 году британцы объединили обе идеи: учебный биплан Tiger Moth научили летать без пилота. Ему дали имя Queen Bee – «Королевская пчела». Считается, что именно благодаря ей за беспилотниками закрепилось английское слово drone – «трутень»: годом позже американский морской офицер выбрал это слово для своего проекта как дань уважения британской «пчеле».
Радиоуправляемые модели самолетов тем временем жили своей жизнью – к 1960-м транзисторная электроника сделала их производство доступным, и тысячи моделистов по всему миру запускали миниатюрные копии самолетов над полями и парками. Военные пошли дальше: их беспилотники уже летали по маршруту с помощью собственных навигационных систем. В СССР работу над ними вели сразу два конструкторских бюро – Лавочкина и Туполева. К концу 1970-х советские реактивные беспилотные самолеты-разведчики серии «Стриж» фотографировали местность на большой скорости. Но авиамодель и военный летательный аппарат – это две крайности. Моделист видит свой самолет глазами и управляет им с помощью пульта. Военная авиамашина летает сама, но стоит очень дорого, как целый парк тракторов. Для обычного фермера не годилось ни то, ни другое – нужна была точная и при этом доступная по цене техника.
Перелом наступил в 2000 году: правительство США перестало намеренно снижать качество спутникового сигнала GPS, и точность навигации для обычных пользователей резко возросла – с сотни метров до десяти. В России тем временем восстанавливали и развивали собственную спутниковую систему – ГЛОНАСС: она заработала в полную силу к 2011 году. Сегодня гражданские БПЛА принимают сигнал обеих систем одновременно – это надежнее, чем полагаться только на одну.
Оставалось сделать технику доступной по цене. В 2006 году студент из Гонконга Фрэнк Ван основал в университетском общежитии компанию DJI – сегодня это крупнейший в мире производитель гражданских БПЛА. Когда в 2010-х литиевые аккумуляторы подешевели, а микроконтроллеры размером с почтовую марку научились удерживать аппарат в воздухе, беспилотники вышли из лабораторий на поля, стройки и киносъемки. В России появились собственные разработчики: ижевская компания «Беспилотные системы» с 2010 года выпускает аппараты Supercam для картографии и сельского хозяйства, а петербургский «Геоскан» с 2011 года производит БПЛА для съемки полей и строительных площадок. Счет сельскохозяйственных БПЛА в мире пошел на сотни тысяч.
Как устроена работа с БПЛА
А зачем БПЛА, если есть спутники? Из космоса все видно!
Видно, но не все и не всегда. Спутник пролетает над полем раз в несколько дней, а облака закрывают ему обзор. БПЛА можно запустить в любой момент и в любую погоду.
Неужели сразу видно, где сорняки?
Не сразу, сначала снимки нужно обработать. Но к обеду агроном уже держит в руках готовую карту поля.
Рассмотрим, как выглядит весь процесс от задачи до результата.
Все начинается с вопроса. Агроном говорит: «Мне нужно понять, где на поле появились сорняки» или «Хочу проверить, работает ли полив». Под задачу подбирают тип БПЛА и камеру. Мультикоптер – небольшой аппарат с несколькими винтами – может быть использован для детальной съемки на небольшой территории. Аппарат с крылом, похожий на модель самолета, лучше справится с обзорными снимками на большой площади земли.
Далее пилот планирует полет: наносит маршрут на карту, выбирает высоту и время. Бригада выезжает в поле и проводит предполетную проверку – осматривает винты БПЛА, камеру, проверяет связь. Все в порядке? Пилот нажимает кнопку старта. БПЛА уходит по маршруту и делает сотни снимков. Каждый кадр частично захватывает предыдущий – как черепица на крыше.
После посадки аналитик «сшивает» снимки в одну большую карту – ортомозаику. Это цельное изображение поля без искажений, на котором можно измерять расстояния и площади. На ортомозаике выделяют проблемные зоны, наносят контуры, готовят рекомендации по обработке посевов. Агроном получает не просто красивую картинку, а готовый план работ: где нужна обработка химикатами, а где следует полить растения или пересеять.
Весь цикл – от запроса агронома до готовой карты – может быть реализован за один рабочий день. Утром запустил, к обеду получил ответ на свой вопрос.
Осталось понять, какой аппарат поднять в воздух. Там есть из чего выбрать.
Какие бывают БПЛА
БПЛА – это четыре винта и камера снизу, верно? Так думает большинство. А вот и нет. Беспилотники различаются между собой не меньше, чем автомобили. Есть юркие «городские малолитражки», есть дальнобойные «грузовики», а есть и вовсе экзотические модели.
Мультикоптер – «снайпер» по месту
Представьте раму с четырьмя, шестью или восемью лучами. На конце каждого луча – винт. Это и есть мультикоптер. Камеру крепят снизу на особом подвесе – он гасит вибрации, чтобы снимки были четкими. Такой БПЛА умеет зависать на месте, подлетать вплотную к объекту и аккуратно облетать ряды деревьев в саду.
Впрочем, камерой дело не ограничивается. На некоторых мультикоптерах закреплен бак с жидкостью (от 10 до 50 литров) и форсунки – распылители, которые превращают жидкость в мелкие капли. У других вместо бака стоит бункер-дозатор – он высыпает гранулы удобрений или семена в нужное место.
Главное достоинство мультикоптера – точность. Он легко зависает над подозрительным участком, снимает его с разных сторон, опускается ниже. Но батареи хватает всего на 20–40 минут, и при сильном ветре аппарат тратит очень много энергии на удержание нужной позиции в воздухе.
Исторический факт
Сельскохозяйственные беспилотники придумали вовсе не вчера. Фирма Yamaha начинала с производства музыкальных инструментов – роялей и гитар. Но в 1987 году компания выпустила кое-что неожиданное – беспилотный вертолет R-50 для рисовых полей. Почему именно рис? Рисовые чеки – затопленные водой площадки, где растет рис – в Японии крошечные и теснятся на склонах гор. Обычный самолет туда просто не подлетит. Вертолет справился блестяще – через двадцать лет похожие машины обрабатывали уже треть всех рисовых полей Японии.
Самолет-крыло – «марафонец»
Аппарат с крылом похож на модель планера – фиксированное крыло размахом от полутора до трех метров, один винт спереди или сзади. Его запускают с рук или с небольшой катапульты, а садится он на полосу, коврик или в специальную сетку.
Крыло летит быстро и далеко. За один вылет может охватить несколько сотен гектаров, потому что тратит энергию гораздо экономнее мультикоптера – крыло парит, а не удерживает себя в воздухе винтами. Но задержаться над точкой и рассмотреть что-то вблизи такой аппарат не может. Для запуска и посадки ему нужна ровная площадка.
VTOL – «универсал»
VTOL (от английского Vertical Take-Off and Landing – вертикальный взлет и посадка) совмещает достоинства мультикоптера и крыла. У него есть и крылья, и вертикальные винты. Взлетает он как мультикоптер – с поверхности, без разбега. Набрав высоту, переходит в горизонтальный полет, словно самолет. При посадке снова зависает в нужной точке и мягко опускается.
VTOL удобен, когда поля расположены далеко друг от друга и между ними нет подходящих площадок. Аппарат стартует с любого пятачка, летит далеко, а потом возвращается и садится в ту же точку. Правда, он сложнее устроен и стоит дороже.
Однороторный вертолет – «тяжеловес»
Этот аппарат ближе к настоящему вертолету – у него один большой несущий винт и хвостовой винт для стабилизации. Он способен нести тяжелый бак с удобрениями или препаратами против вредителей.
А знаете ли вы...
Одно растение амброзии за сезон выбрасывает до 150 тысяч семян. И если бы каждое проросло, то одна-единственная амброзия за два года заселила бы целый район. Пырей ползучий действует иначе: его корни за лето расползаются под землей на несколько метров, а вырвать корневище целиком почти невозможно: кусочка корня длиной в палец достаточно, чтобы появилось новое растение.
Вертолет поднимает больше груза, но и требует больше внимания: обслуживать его сложнее, учиться управлять – дольше, да и правила безопасности строже, чем у мультикоптера.
Привязной БПЛА – «вахтенный»
Есть БПЛА, которые не летают свободно, а «привязаны» к земле кабелем. По кабелю идет электричество, поэтому аппарат может находиться в воздухе долгими часами. Привязной БПЛА наблюдает за площадкой, охраняет периметр поля или работает ретранслятором – передает сигнал связи другим БПЛА, когда рельеф местности мешает прохождению радиоволн.
Радиус его работы ограничен длиной кабеля, поэтому для облета полей он не подходит. Зато для непрерывного наблюдения за одной точкой незаменим.
Как выбрать
Так какой же БПЛА лучше?
А какой автомобиль лучше – легковой или грузовик? Зависит от задачи.
Для съемки большого поля за один раз лучше подойдет крыло или VTOL. Если же нужно рассмотреть конкретный участок вблизи, нужен мультикоптер. Он же, но с баком, справится с точечным опрыскиванием поля. А распылить много удобрений на большой площади – задача для вертолета. Часто в хозяйстве держат связку: крыло покрывает площади, а мультикоптер «добирает» детали и выполняет точечные обработки.
Комментарии